團隊新作 | 腦神經計算建模揭示前額葉皮層不同類型中間神經元在信息維持中的作用

2021-02-23 中國科學院自動化研究所


【摘要】自動化所類腦智能研究中心曾毅團隊將前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）中的中間神經元依據形態學特徵進行計算建模，以探索前額葉皮層不同類型中間神經元在信息維持中的作用。相關研究以「Computational Investigation of Contributions from Different Subtypes of Interneurons in Prefrontal Cortex for Information Maintenance」為題發表於Nature旗下期刊Scientific Reports。

儘管佔比相對錐形神經元數量少，但是中間神經元在大腦皮層實現認知功能中的作用卻不容小覷。中間神經元的顯著特點就是種類豐富，因此對不同類型中間經元在特定認知功能的分工作用的探索是揭示智能機制的關鍵之一。

中國科學院自動化研究所類腦智能研究中心曾毅團隊將前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）中的中間神經元依據形態學特徵進行計算建模，發現負責局部抑制的短程連接中間神經元在維持信息準確率上至關重要，而負責遠距離抑制的中間神經元的缺失，則使輸出信息發生了扭曲與空間形變。與此同時還發現新皮層以結構相似的功能柱進行緊密排布這一特點看似冗餘，但在關鍵中間神經元缺失的情況下，卻能夠維持網絡穩定性，極大提高了網絡在認知任務中的魯棒性。相關研究工作為研製新一代類腦神經網絡提供了創新源泉。這項工作是課題組獨立完成的研究成果，相關工作3月13日發表在Nature旗下期刊Scientific Reports上。

【文章連結】

https://www.nature.com/articles/s41598-020-61647-2

（也可點擊文末「閱讀原文」進入）

文章第一作者張倩副研究員介紹：目前對新皮層的中間神經元在認知功能環路中的作用仍然知之甚少。我們優化已有的功能柱模型，構建了從神經元類型到網絡連接全部基於神經生物學實驗數據的雙層精細PFC神經網絡模型。依據軸突的幾何形態學對種類豐富的中間神經元進行劃分，其中主要負責本地連接的中間神經元（local-layer connection interneurons, LL-INs）由吊燈細胞（chandelier cells, ChCs）組成，跨層連接的中間神經元（cross-layer connection interneurons, CL-INs）由雙極型細胞（bipolar cells, BPCs）和雙花型細胞組成（double banquet cells, DBCs），而負責跨層以及跨功能柱等長程連接的中間神經元（long-range connection interneurons, LR-INs）則由大型籃狀細胞（large basket cells, LBCs）和馬提諾帝細胞（Martinotti cells, MCs）組成。

圖1 PFC網絡框架示意圖

我們讓單個功能柱內短程到長程連接的中間神經元依次缺失，發現它們對信息維持準確性造成的影響是完全不同的。負責局部抑制的中間神經元缺失，增加了圖像信息維持任務的噪點，降低圖像輸出的準確性。負責遠距離抑制的中間神經元缺失，則使輸出圖像發生了扭曲，當跨層連接和遠距離連接的中間神經元同時缺失，輸出圖像的扭曲程度也變的更加嚴重。這證明不同類型中間神經元在信息傳遞過程中發揮的作用是完全不同的。

圖2 不同類型中間神經元缺失的輸出結果（A-E）和準確率統計分析（F）

張倩副研究員介紹到：如果我們給這一功能柱多次輸入刺激，我們發現局部抑制中間神經元在維持網絡穩定性中發揮著重要作用，一旦缺失，網絡就陷入異常放電的癱瘓模式，類似於癲癇病人的腦網絡活動狀態，輸出信息的準確性最低僅有27.34±3.62 %。

圖3 多次刺激下不同類型中間神經元缺失情況下網絡的輸出（A）與準確率統計分析（B）

張倩副研究員介紹：在此情況下，僅增加一個功能柱，就能恢復網絡的功能，輸出的準確率得到明顯改善，最高能達到89.56±0.61 %。繼續增加功能柱的數量到4個，準確率仍有上升空間。顯然這是因為功能柱之前的長程抑制彌補了局部抑制缺失對網絡造成的影響。由此推斷新皮層功能柱結構相似，排布緊密這一特性，能夠在腦組織部分受損的情況下維持網絡的正常輸出功能，提高了整體的魯棒性。

曾毅研究員說：「可以看到，數億年的演化使得大腦皮層的組成部分在多尺度通過不同結構與機制的融合儘可能確保系統的魯棒性和自適應性，這是類腦人工智慧模型非常值得借鑑的啟發。最開始出現的哺乳動物大腦皮層結構並沒有這麼複雜，相對來說也沒有這麼多的看似冗餘的設計，但是可以看到，這種看似重複冗餘的結構實質上對提升智能與認知功能的穩定性發揮了極大的作用。哪怕由於疾病等原因，致使特定類型的神經元、局部神經組織受損，還是可以依賴於這種看似冗餘的設計較好的維持認知功能。魯棒性和自適應性是演化中的生命系統具有的最重要特徵之一，「適者生存」是達爾文進化論的核心，也是智能的根基。」

圖4 多功能柱網絡局部抑制神經元缺失下網絡的輸出（A，C）與準確率統計分析（B）

曾毅研究員指出：大腦的新皮層是模塊化的，雖然層次結構上具有高度相似性，但是種類豐富的中間神經元讓連接的類型變得多樣化。有的中間神經元平衡網絡的興奮性，有的則調節網絡增益，引發節律產生。這篇文章我們集中討論不同中間神經元在與記憶有關的信息維持認知功能中發揮的不同作用。未來我們希望繼續探索中間神經元在前額葉參與的更多高等認知功能中的分工，例如推理、決策等等。這一工作是我們探索前額葉皮層參與高等認知知功能環路的重要組成部分之一，相關的工作更是構建類腦神經網絡重要的啟發。腦神經網絡模擬與計算建模為研究大規模生物神經網絡的特性提供了計算驗證的平臺，這些特性往往在局部小規模網絡上是難以實現的，例如多模態信息整合、節律的層次化傳遞等。此外，計算模擬平臺為進行生物實驗難以驗證的科學假設提供了有力的支撐工具，並將為研製新一代類腦神經網絡提供創新源泉。


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編輯：魯寧、董曉芙

審稿：曾毅

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